Diseño y simulación de una bomba centrífuga mediante su prototipo virtual

Abstract

RESUMEN: En el siguiente Trabajo de Fin de Grado para acceder al título de Grado en Ingeniería Mecánica se tratará de verificar el correcto funcionamiento de una máquina hidráulica. Se comenzará explicando la teoría de máquinas hidráulicas centrándose en el grupo de las turbomáquinas al que pertenecen las bombas hidráulicas. Dentro de las bombas hidráulicas existen una gran variedad de tipos, pero el siguiente proyecto se centrará en las bombas centrífugas. Se creará una bomba centrífuga completa con todas las partes y elementos que la componen. Para ello, se usará de base un modelo comercial de diversas aplicaciones en el ámbito industrial y agrónomo del fabricante Kirloskar que es uno de los que más información técnica proporciona de los diferentes modelos. Mediante el uso de herramientas de modelado CAD como son AutoCAD e Inventor Profesional se desarrollarán los modelos 3D y planos de los diferentes componentes que conforman la bomba centrífuga. Una vez desarrollados todos los componentes, se realizará el ensamblaje completo de la bomba centrífuga junto con el resto de los elementos normalizados para tener una referencia visual de que todos los componentes cumplen su función y se ensamblan correctamente. Seguidamente, se procederá a verificar el correcto funcionamiento del equipo. Para ello, sería necesario disponer de un modelo real y un banco de pruebas para realizar los diferentes ensayos, pero, como no se dispone de esos equipos, se realizará mediante simulaciones con las que se podrán obtener resultados muy similares a los que se obtendrían mediante un banco de pruebas. Para realizar las simulaciones se usará ANSYS que es un Software de Ingeniería Avanzada para la simulación del comportamiento de dinámica de fluidos, electromagnetismos, resistencia de materiales, etc. Para poder realizar las simulaciones será necesario el flujo de fluido que circula por el interior de la bomba, por lo que será necesario obtener el modelo 3D del flujo del fluido. Nuevamente, mediante el uso de Inventor Profesional y el modelo 3D de la bomba centrífuga que se ha creado previamente, se modelará el flujo del fluido que es el espacio que ocupa el fluido cuando circula por el interior de la bomba centrífuga. A continuación, en ANSYS se importará la geometría del flujo del fluido y se le aplicarán una serie de condiciones de contorno y parámetros de funcionamiento necesarios para realizar la simulación. Una vez la simulación converge en un resultado satisfactorio, se aplicará la teoría de turbomáquinas vista previamente sobre los parámetros obtenidos para poder representar los valores de una forma intuitiva. Posteriormente, se realizarán una serie de estudios para los que será necesario la modificación del flujo de fluido, los parámetros de funcionamiento y volver a realizar la simulación. Para las simulaciones realizadas en los diferentes estudios se reducirá el tiempo de simulación de 3 horas a 40 min asumiéndose una reducción de la precisión de los resultados entorno al 1,4%. Se realizará un total de 32 simulaciones y se representarán los resultados obtenidos mediante el uso de tablas y gráficas con los que se podrá obtener la Curva Característica de funcionamiento de la bomba para dos regímenes de revoluciones, se comprobará que ocurre con la Ecuación de Euler al variar el ángulo β2 de los álabes del rodete, la influencia del Coeficiente de Pfleiderer al variar el número de álabes del rodete y, para finalizar, se creará un modelo a escala para verificar las Leyes de Semejanza, verificando de esta manera el principio de funcionamiento de una bomba centrífuga. Demostrándose de esta forma que no es necesario elaborar un modelo físico real para realizar los distintos ensayos o pruebas ya que, gracias a las simulaciones realizadas con ANSYS, se pueden obtener unos resultados muy aproximados del comportamiento real de la bomba.

ABSTRACT: In this paper Final Degree to access the Degree in Mechanical Engineering will attempt to verify the correct operation of a hydraulic machine. It will begin by explaining the theory of hydraulic machines, focusing on the group of turbomachines to which hydraulic pumps belong. Within hydraulic pumps there are a great variety of types, but the next project will focus on centrifugal pumps. A complete centrifugal pump will be created with all the parts and elements that compose it. For this, a commercial model of various applications in the industrial and agronomic field of the manufacturer Kirloskar will be used as a basis, which is one of the manufacturers that provides the most technical information on the different models. Using CAD modelling tools such as AutoCAD and Inventor Professional, the 3D models and plans of the different components that make up the centrifugal pump will be developed. Once all the components have been developed, the complete assembly of the centrifugal pump will be made along with the rest of the standardized elements to have a visual reference that all the components fulfil their function and are assembled correctly. Next, the correct operation of the equipment will be verified. To do this, it would be nec-essary to have a real model and a test bench to carry out the different tests, but, as this equipment is not available, it will be carried out through simulations with which results very similar to those can be obtained. that would be obtained through a test bench. To carry out the simulations, ANSYS will be used, which is an Advanced Engineering Software for the simulation of the behaviour of fluid dynamics, electromagnetism, resistance of materials, etc. To carry out the simulations, the flow of fluid that circulates inside the pump will be necessary, so it will be necessary to obtain the 3D model of the fluid flow. Again, by using Inventor Professional and the 3D model of the centrifugal pump that has been created previously, the fluid flow will be modelled, which is the space that the fluid occupies when it circulates inside the centrifugal pump. Next, in ANSYS, the fluid flow geometry will be imported and a series of boundary conditions and operating parameters necessary to perform the simulation will be applied to it. Once the simulation converges on a satisfactory result, the previously seen turbomachine theory will be applied to the parameters obtained to represent the values in an intuitive way. Subsequently, a series of studies will be carried out for which it will be necessary to modify the fluid flow, the operating parameters and carry out the simulation again. For the simulations carried out in the different studies, the simulation time will be reduced from 3 hours to 40 min, assuming a reduction in the precision of the results of around 1.4%. A total of 32 simulations will be carried out and the results obtained through the use of tables and graphs will be represented with which the Characteristic Curve of operation of the pump for two revolutions will be obtained, it will be verified that it happens with the Euler Equation at vary the angle β2 of the impeller blades, the influence of the Pfleiderer Coefficient when varying the number of impeller blades and, finally, a scale model will be created to verify the Laws of Similarity, thus verifying the operating principle of a centrifugal pump. Proving in this way that it is not necessary to develop a real physical model to carry out the different tests or tests since, thanks to the simulations carried out with ANSYS, very approximate results of the real behaviour of the pump can be obtained.